正激变换器及其控制电路的设计及仿真.docx
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正激变换器及其控制电路的设计及仿真
正激变换器及其控制电路的设计及仿真
正激变换器及其控制电路的设计及仿真
设计要求:
1、输入电压:
100V(±20%);
2、输出电压:
12V;
3、输出电流:
1A;
4、电压纹波:
<70mV(峰峰值);
5、效率:
η>78%;
6、负载调整率:
1%;
7、满载到半载,十分之一载到半载纹波<200mV。
第一章绪论
1.课题研究意义:
对于大部分DC/DC变换器电路结构,其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接,然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离,这时就可以在基本DC/DC变换电路中加入变压器,从而得到输入输出之间电隔离的DC/DC变换器。
而正激变化器就实现了这种功能。
2.课题研究内容:
1、本文首先介绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电容、电感参数的计算方法,并进行了计算。
2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。
其中闭环方式又分为PID控制和fuzzy控制。
本文分别针对开环、PID控制,fuzzy控制建立正激变换器的Matlab仿真模型,并进行仿真分析了,最后对得出的结果进行比较。
第二章:
正激电路的参数计算
本章首先给出正激变换器的等值电路图,然后列出了正激变换器的四个主要参数的计算方法,并进行了计算。
1、正激变换器的等值电路图
图1正激变换器等值电路图
2、参数计算
(1)变比n
根据设计要求,取占空比D=0.4,根据输入电压和输出电压之间的关系得到变比:
n=
=
=3.3
(2)最大、最小占空比
最大占空比Dmax定义为
Dmax=
,
式中Uin(min)=100-20=80V,Uout=12V,n=3.3,,Ud为整流二极管压降,
所以Dmax=0.495。
最小占空比Dmin定义为
Dmin=
,
式中Uin(max)=120V,
所以Dmin=0.333。
(3)电容
电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。
取开关频率f=200KHZ,则T=5×10-6s,
根据公式:
C=
,
式中取Iripple=0.2A,Vripple=0.07mV,
所以C=1.79μF。
为稳定纹波电压,放大电容至50μF。
(4)电感
可使用下列方程组计算电感值:
Uout=L×
,
dt=
,
式中Uout=12V,di取为0.2A,Dmin=0.333,
所以L=0.334mH。
第三章正激变换器开环的Matlab仿真
本章首先建立了正激变换器开环下的Matlab仿真模型,然后对其进行了仿真分析。
1、仿真模型的建立
根据之前的等值电路图和参数的计算结果,可以对正激电路进行建模,其开环模型如图2:
图2正激电路的开环仿真模型
2、仿真结果
在Matlab上进行仿真,得到如下的输出电压,及其纹波,输出电流及其纹波的波形:
图3开环电压波形
图4开环纹波电压
图5开环电流波形
图6开环纹波电流
从图中可以看出,开环占空比为40%时输出电压不能达到12V,只能稳定在11.98V左右,纹波电压为1mV,输出电流是0.998A,纹波电流不到0.1mA。
虽然纹波电压符合要求,但输出电压值和电流值不符合要求,且电压有较大超调。
分析其原因,可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。
需要调大占空比才能稳定到12V。
且开环系统有较弱的抗干扰性,不够稳定,因此应采用闭环。
第四章正激变换器闭环PID的Matlab仿真
本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求,然后对开环系统绘制了伯德图,接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加PID环节的三个主要参数,进行闭环系统的Matlab仿真,得到经过两次切载后的输出电压波形和输出电流波形,并进行了分析。
1、闭环稳定的条件:
(1)开环Bode图的幅频特性曲线中增益为1的穿越频率应等于开关角频率的1/5~1/10。
(2)幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。
(3)相位裕量γ>45°。
2、开环传递函数:
查阅资料得到未补偿的开环传递函数为:
G0(S)=
代入数据,得到G0(S)=
。
3、未补偿的开环传函的Bode图
图7开环传递函数伯德图
从图中可以看出,穿越频率为6.89
103Hz,小于要求的最小开关频率
=20000Hz,且以-40dB穿越横轴,相位裕度仅为1°。
三项指标都不符合。
因此必须加入补偿环节。
4、补偿函数的确定
首先确定补偿后系统的剪切频率fc1=
=2.5×104Hz,ωc1=2πfc1=1.57×105rad/s。
在f=2.5×104Hz处,原伯德图的增益为-22.6dB,相角为-179°。
取相位裕度为50°,则需补偿49°。
新补偿的函数可分为PD和PI两部分
(1)PD环节
设PD环节的传递函数为G1=Kp(1+τs),作出其伯德图,得到以下比例关系:
,
所以τ=7.33×10-6。
又20lgKp
=22.6,
所以Kp=8.848。
得到G1=8.848(1+7.33×10-6s)
(2)PI环节
取PI环节传函为G2=
。
(3)补偿传函G3
G3=G1×G2=
。
即Kp=8.848,Ki=8848,KD=6.5e-5。
5、补偿后系统的新开环传函Gn
Gn=G0G3=
。
其伯德图如下:
图8补偿后系统伯德图
从图中可以看出,此时系统的幅频特性曲线以-20dB穿越横轴,且剪切频率为2.49×104Hz,相位裕度为49°,完全符合工程要求。
6、闭环PID控制的Matlab仿真模型
用Mosfet1和2控制切载过程。
用Timer和Timer1控制切载情况,在t=0.02s处负载由12Ω切到24Ω,在t=0.03s处负载由24Ω切到120Ω,在0.05s处由120Ω切到24Ω。
输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较,在交点处控制Mosfet通断,从而控制占空比。
图9闭环PID控制电路图
7、闭环PID仿真结果
在Matlab上进行仿真,得到如下的电压波形:
图10初始PID参数下的输出电压波形
通过此图可以看出输出电压超调过大,已超过额定输出电压的1倍。
尽管输出电压值、纹波、切载的尖峰都符合要求。
此时需要对PID参数进行调整。
在这里选取Kp=0.5,Ki=500,KD=7.3e-5。
此时可得到如下电压和电流波形:
图11调整PID参数后的输出电压波形
图12满载电压纹波波形图
图13切载后第一个尖峰图14切载后第二个尖峰
图15输出电流波形
图16满载输出电流纹波波形
从图中可以看出,此时输出电压基本稳定在12V,且无超调。
满载输出平均电压约为11.9995V,满载时电压纹波最大,约为0.7mA。
切载时的电压尖峰也低于200mV。
半载输出平均电压为11.99935V,所以负载调整率为
×100%=0.00125%<1%。
满载,半载,1/10载的电流纹波基本相等,均不到1mA。
变压器原边电流为0.1521A,所以效率η=
%=78.9%。
均符合要求。
8、补偿后系统的伯德图
图17PID补偿后系统的伯德图
从图中可以看出,补偿后系统的剪切频率为2.12×104Hz,约为开关频率的0.106倍,并以-20dB穿越横轴,且相位裕度为88°,符合工程要求。
第五章正激变换器基于Fuzzy控制的Matlab仿真分析
本章针对正激变换器进行了模糊控制。
首先进行了模糊化的设计,然后建立了规则库,最后针对其Matlab模型进行了仿真分析。
1、模糊化设计
对误差e、误差变化率
和控制量U的模糊集和域定义如下:
(1)模糊集合均为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},e的域为{-1,+1},
的域为{-0.5,+0.5}。
U的域为{-1,+1}。
(2)隶属度函数均选三角函数,input1为e,input2为
,output为U。
例如,变量
的隶属度函数如下图所示:
图18输入
的隶属度函数
2、模糊规则的建立
(1)模糊规则表如下:
E
EC
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
NB
PB
PB
PM
PM
PS
PS
ZE
NM
PB
PB
PM
PM
PS
ZE
NS
NS
PM
PM
PS
PS
ZE
NS
NS
ZE
PM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
PS
PS
PS
ZE
NS
NS
NM
NM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
NB
NB
PB
ZE
NS
NS
NM
NM
NB
NB
表1
(2)Fuzzy控制器规则库如下:
图19控制器规则库
3、Matlab仿真分析
通过开环的输出电压范围,初步确定对于e,Gain1=65,对于
,Gain2=10-5。
由采样定理,采样频率为开关频率的2倍,即400KHz,从而采样时间为2.5×10-6s。
还要加入限幅模块和零阶保持器模块,然后进行仿真。
其仿真模型如下图:
图20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型
仿真后得到的电压和电流波形如下:
图21输出电压波形图
图22切载前后纹波及切载尖峰电压波形图
图23输出电流波形
图24满载及半载电流纹波图251/10载电流纹波
从图中可以看出,输出电压基本稳定在12V,在满载时纹波为350mV;半载时纹波为170mV;1/10载时纹波为30mV。
两次切载的尖峰电压分别为300mV和150mV。
未切载输出电流基本稳定在1A,在满载时纹波为30mA;半载时纹波为7mA;1/10载时纹波为0.3mA。
输出基本上符合要求。
第六章总结
从闭环PID控制和Fuzzy控制的仿真结果的对比中可以看出,Fuzzy控制的控制方式更加简单,稳定度高,且纹波也基本满足要求。
由于不用进行大量的数学模型的计算,更加快捷。
且Fuzzy具有较好的鲁棒性和适应性。